第二十一章核酸的降解和核苷酸代謝

1、2012年 王鏡巖版生物化學(xué)考研參考筆記 - 12 -安雨（整理）核酸的降解和核苷酸代謝核酸的生物功能 DNA、RNA核苷酸的生物功能合成核酸是多種生物合成的活性中間物 糖原合成，UDP-Glc。磷脂合成，CDP-乙醇胺，CDP-二脂酰甘油。生物能量的載體ATP、GTP腺苷酸是三種重要輔酶的組分NAD、FAD、CoA信號(hào)分子cAMP、cGMP食物中的核酸，經(jīng)腸道酶系降解成各種核苷酸，再在相關(guān)酶作用下，分解產(chǎn)生嘌呤、嘧啶、核糖、脫氧核糖和磷酸，然后被吸收。吸收到體內(nèi)的嘌呤和嘧啶，大部分被分解，少部分可再利用，合成核苷酸。人和動(dòng)物所需的核酸無須直接依賴于食物，只要食物中有足夠的磷酸鹽，、糖和蛋白質(zhì)

2、，核酸就能在體內(nèi)正常合成。核酸的分解代謝：核酸核酸酶核苷酸核苷酸酶核苷 + 磷酸核苷磷酸化酶堿基 + 戊糖-1-磷酸第一節(jié) 核酸和核苷酸的分解代謝一、 核酸的酶促降解核酸是核苷酸以3、5-磷酸二酯鍵連成的高聚物，核酸分解代謝的第一步就是分解為核苷酸，作用于磷酸二酯鍵的酶稱核酸酶（實(shí)質(zhì)是磷酸二脂酶）。根據(jù)對(duì)底物的專一性可分為：核糖核酸酶、脫氧核糖核酸酶、非特異性核酸酶。根據(jù)酶的作用方式分：內(nèi)切酶、外切酶。1、 核糖核酸酶只水解RNA磷酸二酯鍵的酶（RNase），不同的RNase專一性不同。牛胰核糖核酸酶（RNaseI），作用位點(diǎn)是嘧啶核苷-3-磷酸與其它核苷酸間的連接鍵。核糖核酸酶T1（RNas

3、eT1），作用位點(diǎn)是3 -鳥苷酸與其它核苷酸的5-OH間的鍵。2、 脫氧核糖核酸酶只能水解DNA磷酸二酯鍵的酶。DNase牛胰脫氧核糖核酸酶（DNaseI）可切割雙鏈和單鏈DNA。產(chǎn)物是以5-磷酸為末端的寡核苷酸。牛胰脫氧核糖核酸酶（DNase），降解產(chǎn)物為3-磷酸為末端的寡核苷酸。限制性核酸內(nèi)切酶：細(xì)菌體內(nèi)能識(shí)別并水解外源雙源DNA的核酸內(nèi)切酶，產(chǎn)生3-OH和5-P。 圖Pst切割后，形成3-OH 單鏈粘性末端。EcoR切割后，形成5-P單鏈粘性末端。3、 非特異性核酸酶既可水解RNA，又可水解DNA磷酸二酯鍵的核酸酶。小球菌核酸酶是內(nèi)切酶，可作用于RNA或變性的DNA，產(chǎn)生3-核苷酸或寡核

4、苷酸。蛇毒磷酸二酯酶和牛脾磷酸二脂酶屬于外切酶。蛇毒磷酸二酯酶能從RNA或DNA鏈的游離的3-OH逐個(gè)水解，生成5-核苷酸。牛脾磷酸二脂酶從游離的5-OH開始逐個(gè)水解，生成3核苷酸。二、 核苷酸的降解1、 核苷酸酶 （磷酸單脂酶）水解核苷酸，產(chǎn)生核苷和磷酸。非特異性磷酸單酯酶：不論磷酸基在戊糖的2、3、5，都能水解下來。特異性磷酸單酯酶： 只能水解3核苷酸或5核苷酸（3核苷酸酶、5核苷酸酶）2、 核苷酶兩種： 核苷磷酸化酶：廣泛存在，反應(yīng)可逆。核苷 + 磷酸核苷磷酸化酶堿基 + 戊糖-1-磷酸 核苷水解酶：主要存在于植物、微生物中，只水解核糖核苷，不可逆核糖核苷+ H2O核苷水解酶堿基 + 核

5、糖三、 嘌呤堿的分解P301 圖18-2嘌呤堿的分解首先在各種脫氨酶的作用下水解脫氨，脫氨反應(yīng)可發(fā)生在嘌呤堿、核苷及核苷酸水平上。P 299 反應(yīng)式不同種類的生物分解嘌呤堿的能力不同，因此，終產(chǎn)物也不同。排尿酸動(dòng)物：靈長(zhǎng)類、鳥類、昆蟲、排尿酸爬蟲類排尿囊素動(dòng)物：哺乳動(dòng)物（靈長(zhǎng)類除外）、腹足類排尿囊酸動(dòng)物：硬骨魚類排尿素動(dòng)物：大多數(shù)魚類、兩棲類某些低等動(dòng)物能將尿素進(jìn)一步分解成NH3和CO2排出。植物分解嘌呤的途徑與動(dòng)物相似，產(chǎn)生各種中間產(chǎn)物（尿囊素、尿囊酸、尿素、NH3）。微生物分解嘌呤類物質(zhì)，生成NH3、CO2及有機(jī)酸（甲酸、乙酸、乳酸、等）。四、 嘧啶堿的分解P302 圖18-3 嘧啶堿的分

6、解人和某些動(dòng)物體內(nèi)脫氨基過程有的發(fā)生在核苷或核苷酸上。脫下的NH3可進(jìn)一步轉(zhuǎn)化成尿素排出。第二節(jié) 嘌呤核苷酸的合成一、 從頭合成由5-磷酸核糖-1-焦磷酸（5-PRPP）開始，先合成次黃嘌呤核苷酸，然后由次黃嘌呤核苷酸（IMP）轉(zhuǎn)化為腺嘌呤核苷酸和鳥嘌呤核苷酸。嘌呤環(huán)合成的前體：CO2 、甲酸鹽、Gln、Asp、GlyP303 圖18-4 嘌呤環(huán)的元素來源及摻入順序A. Gln提供-NH2：N 9B. Gly：C4、C5、N7C. 5.10-甲川FHFA：C8D. Gln提供-NH2：N3閉環(huán)E CO2：C 6F. Asp提供-NH2：N 1G 10-甲酰THFA：C 21、 次黃嘌呤核苷酸的

7、合成（IMP） P306圖18-55-磷酸核糖 + ATP磷酸核糖焦磷酸激酶5-PRPP + AMP（1）、 磷酸核糖焦磷酸轉(zhuǎn)酰胺酶（轉(zhuǎn)氨）5-磷酸核糖焦磷酸 + Gln 5-磷酸核糖胺 + Glu + ppi使原來-構(gòu)型的核糖轉(zhuǎn)化成構(gòu)型（2）、 甘氨酰胺核苷酸合成酶5-磷酸核糖胺+Gly+ATP 甘氨酰胺核苷酸+ADP+Pi（3）、 甘氨酰胺核苷酸轉(zhuǎn)甲?；父拾滨０泛塑账?+ N 5 N 10-甲川FH4 + H2O 甲酰甘氨酰胺核苷酸 + FH4甲川基可由甲酸或氨基酸供給。（4）、 甲酰甘氨脒核苷酸合成酶甲酰甘氨酰胺核苷酸 + Gln + ATP + H2O 甲酰甘氨脒核苷酸 + Glu

8、+ ADP + pi此步反應(yīng)受重氮絲氨酸和6-重氮-5-氧-正亮氨酸不可逆抑制，這兩種抗菌素與Gln有類似結(jié)構(gòu)。P 304 結(jié)構(gòu)式：重氮絲氨酸、6-重氮-5-氧-正亮氨酸（5）、 氨基咪唑核苷酸合成酶甲酰甘氨脒核苷酸 + ATP 5-氨基咪唑核苷酸 + ADP + Pi （1）（5）第一階段，合成第一個(gè)環(huán)（6）、 氨基咪唑核苷酸羧化酶5-氨基咪唑核苷酸+CO2 5-氨基咪唑-4羧酸核苷酸（7）、 氨基咪唑琥珀基氨甲酰核苷酸合成酶5-氨基咪唑-4-羧酸核苷酸+Asp+ATP 5-氨基咪唑4-（N-琥珀基）氨甲酰核苷酸（8）、 腺苷酸琥珀酸裂解酶5-氨基咪唑-4-（N-琥珀基）氨甲酰核苷酸 5-氨

9、基咪唑-4-氨甲酰核苷酸+延胡索酸（9）、 氨基咪唑氨甲酰核苷酸轉(zhuǎn)甲?；?-氨基咪唑-4-氨甲酰核苷酸+N10-甲酰FH4 5-甲酰胺基咪唑-4-氨甲酰核苷酸+FH4（10）、 次黃嘌呤核苷酸環(huán)水解酶5-甲酰胺基咪唑-4-氨甲酰核苷酸 次黃嘌呤核苷酸+H2O總反應(yīng)式：5-磷酸核糖 + CO2 + 甲川THFA + 甲酰THFA + 2Gln + Gly + Asp + 5ATP IMP + 2THFA + 2Glu + 延胡索酸 + 4ADP + 1AMP + 4Pi + PPi2、 腺嘌呤核苷酸的合成（AMP） P306圖18-5IMP + Asp + GTPAMP + 延胡索酸腺苷酸琥珀

10、酸合成酶腺苷酸琥珀酸 +GDP + Pi腺苷酸琥珀酸裂解酶從頭合成：CO2 、2個(gè)甲酸鹽、2個(gè)Gln、1個(gè)Gly、（1+1）個(gè)Asp、（6+1）個(gè)ATP，產(chǎn)生2個(gè)Glu、（1+1）個(gè)延胡索酸。 Asp的結(jié)構(gòu)類似物羽田殺菌素，可強(qiáng)烈抑制腺苷酸琥珀酸合成酶的活性，阻止AMP生成。羽田殺菌素： N-羥基-N-甲酰-Gly （P307）IMP + NAD + +H2OIMP脫氫酶黃嘌呤核苷酸 + NADH + H+3、 鳥嘌呤核苷酸的合成 （P307結(jié)構(gòu)式）黃嘌呤核苷酸 + Gln（或NH4+） + ATP + H2OGMP合成酶GMP + Glu + AMP + PPi4、 AMP、GMP生物合成的

11、調(diào)節(jié) P309圖18-65-磷酸核糖焦磷酸轉(zhuǎn)酰胺酶是關(guān)鍵酶，可被終產(chǎn)物AMP、GMP反饋抑制。AMP過量可反饋抑制自身的合成。GMP過量可反饋抑制自身的合成。5、 藥物對(duì)嘌呤核苷酸合成的影響篩選抗腫瘤藥物，腫瘤細(xì)胞核酸合成速度快，藥物能抑制。羽田殺菌素與Asp競(jìng)爭(zhēng)腺苷酸琥珀酸合成酶，阻止次黃嘌呤核苷酸轉(zhuǎn)化成AMP。重氮乙酰絲氨酸、6-重氮-5-氧正亮氨酸，是Gln的結(jié)構(gòu)類似物，抑制Gln參與的反應(yīng)。氨基蝶呤、氨甲蝶呤結(jié)構(gòu)P314 葉酸的結(jié)構(gòu)類似物，能與二氫葉酸還原酶發(fā)生不可逆結(jié)合，阻止FH4的生成，從而抑制FH4參與的各種一碳單位轉(zhuǎn)移反應(yīng)。二、 補(bǔ)救途徑利用已有的堿基和核苷合成核苷酸1、 磷酸

12、核糖轉(zhuǎn)移酶途徑（重要途徑）嘌呤堿和5-PRPP在特異的磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶的作用下生成嘌呤核苷酸嘌呤核苷 + 磷酸核苷磷酸化酶嘌呤堿 + 戊糖-1-磷酸腺嘌呤 + 5-PRPP腺嘌呤磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶AMP + PPi次黃嘌呤（鳥嘌呤） + 5-PRPP次黃嘌呤：鳥嘌呤磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶IMP（GMP） + PPi2、 核苷激酶途徑（但在生物體內(nèi)只發(fā)現(xiàn)有腺苷激酶）腺嘌呤在核苷磷酸化酶作用下轉(zhuǎn)化為腺嘌呤核苷，后者在核苷磷酸激酶的作用下與ATP反應(yīng)，生成腺嘌呤核苷酸。堿基 + 核糖-1-磷酸核苷磷酸化酶核苷 + Pi腺苷 + ATP腺苷激酶腺苷酸 + ADP嘌呤核苷酸的從頭合成與補(bǔ)救途徑之間存在平衡。Lesch

13、-Nyan綜合癥就是由于次黃嘌呤：鳥嘌呤磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶缺陷，AMP合成增加，大量積累尿酸，腎結(jié)石和痛風(fēng)。第三節(jié) 嘧啶核苷酸的合成一、 從頭合成與嘌呤核苷酸合成不同，在合成嘧啶核苷酸時(shí)，首先合成嘧啶環(huán)，再與磷酸核糖結(jié)合，生成尿嘧啶核苷酸，最后由尿嘧啶核苷酸轉(zhuǎn)化為胞嘧啶核苷酸和胸腺嘧啶脫氧核苷酸。合成前體：氨甲酰磷酸、Asp （P309圖18-7嘧啶環(huán)的元素來源）1、 尿嘧啶核苷酸的合成 P310 圖18-8Gln + HCO3 - + 2ATP氨甲酰磷酸合成酶氨甲酰磷酸 +Glu + 2ADP + Pi氨甲酰磷酸的合成（1） 天冬氨酸轉(zhuǎn)氨甲酰酶天冬氨酸轉(zhuǎn)氨甲酰酶氨甲酰磷酸 + Asp氨甲酰天冬氨

14、酸 + Pi（2） 二氫乳清酸酶二氫乳清酸酶氨甲酰天冬氨酸二氫乳清酸 + H2O（3） 二氫乳清酸脫氫酶（輔基：FAD、FMN）二氫乳清酸脫氫酶FAD、FMN二氫乳清酸 + NAD+乳清酸 + NADH + H+（4） 乳清苷酸焦磷酸化酶乳清苷酸焦磷酸化酶Mg2+乳清酸 + PRPP乳清苷酸 + PPi（5） 乳清苷酸脫羧酶乳清苷酸脫羧酶乳清苷酸UMP + CO22、 胞嘧啶核苷酸的合成尿嘧啶核苷三磷酸可直接與NH3（細(xì)菌）或Gln（植物）反應(yīng)，生成胞嘧啶核苷三磷酸。UMP + ATP尿嘧啶核苷酸激酶Mg2+UDP + ADPUDP + ATP核苷二磷酸激酶Mg2+UTP + ADPCTP合成

15、酶UTP + Gln（NH4+）+ ATP + H2OCTP + Glu +ADP+ Pi3、 嘧啶核苷酸生物合成的調(diào)節(jié)（大腸桿菌）P 311 圖18-9大腸桿菌嘧啶核苷酸生物合成的調(diào)節(jié)氨甲酰磷酸合成酶： 受UMP反饋抑制天冬氨酸轉(zhuǎn)氨甲酰酶：受CTP反饋抑制CTP合成酶： 受CTP反饋抑制4、 藥物對(duì)嘧啶核苷酸合成的影響有多種嘧啶類似物可抑制嘧啶核苷酸的合成。5-氟尿嘧啶抑制胸腺嘧啶脫氧核苷酸的合成。5-氟尿嘧啶在人體內(nèi)轉(zhuǎn)變成相應(yīng)的核苷酸，再轉(zhuǎn)變成脫氧核苷酸，可抑制脫氧胸腺嘧啶核酸合成酶，干擾尿嘧啶脫氧核苷酸經(jīng)甲基化生成脫氧胸苷的過程，DNA合成受阻。二、 補(bǔ)救途徑（1） 嘧啶核苷激酶途徑（重

16、要途徑）嘧啶堿與1-磷酸核糖生成嘧啶核苷，然后由尿苷激酶催化尿苷和胞苷形成UMP和CMP。嘧啶堿 + 1-磷酸核糖核苷磷酸化酶嘧啶核苷 + Pi尿苷（胞苷） + ATP尿苷激酶Mg2+UMP（CMP） + ADP（2） 磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶途徑（胞嘧啶不行）尿嘧啶磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶尿嘧啶 + 5-PRPPUMP + PPi第四節(jié) 脫氧核苷酸的合成脫氧核糖核苷酸是由相應(yīng)的核糖核苷酸衍生而來的。（1）腺嘌呤、鳥嘌呤和胞嘧啶核糖核苷酸經(jīng)還原，將核糖第二位碳原子的氧脫去，即成為相應(yīng)的脫氧核糖核苷酸。（2）胸腺嘧啶脫氧核糖核苷酸：先由尿嘧啶核糖核苷酸還原形成尿嘧啶脫氧核糖核苷酸，然后尿嘧啶再經(jīng)甲基化轉(zhuǎn)變成胸腺嘧啶

17、。一、 核糖核苷酸的還原ADP、GDP、CDP、UDP均可分別被還原成相應(yīng)的脫氧核糖核苷酸：dADP、dGDP、dCDP、dUDP等，其中dUDP甲基化，生成dTDP。還原反應(yīng)一般在核苷二磷酸（NDP）水平上進(jìn)行，ATP、dATP、dTTP、dGTP是還原酶的變構(gòu)效應(yīng)物，個(gè)別微生物（賴氏乳菌桿菌）在核苷三磷酸水平上還原（NTP）。1、 核苷酸還原酶系 P312 圖示由硫氧還蛋白、硫氧還蛋白還原酶和核苷酸還原酶（B1、B2）三部分組成。B1、B2亞基結(jié)合后，才具有催化活性。B1上的巰基和B2上的酪氨酸殘基是活性中心的催化基因。另外核苷酸還原酶所需的還原當(dāng)量還可來自谷胱甘肽。硫氧還蛋白 -SH硫氧

18、還蛋白還原酶、輔酶FAD谷胱甘肽氧還蛋白（酶）谷胱甘肽還原酶 -SH核苷酸還原酶（RR）-SH2、 核苷酸還原酶結(jié)構(gòu)模型及催化機(jī)理（11）、 結(jié)構(gòu)模型B1亞基上有兩個(gè)調(diào)節(jié)部位，一個(gè)影響整個(gè)酶的活性（一級(jí)調(diào)節(jié)部位），另一個(gè)調(diào)節(jié)對(duì)底物的專一性（底物結(jié)合部位）一級(jí)調(diào)節(jié)部位：ATP是生物合成的信號(hào)分子，而dATP是核苷酸被還原的信號(hào)。底物調(diào)節(jié)部位：.與ATP結(jié)合，可促進(jìn)嘧啶類的UDP、CDP還原成dUDP、dCDP；與dTTP或dGTP結(jié)合，可促使GDP（ADP）還原成dGDP（dADP）（12）、 催化機(jī)理 自由基催化轉(zhuǎn)換模型。3、 脫氧核苷酸的補(bǔ)救（脫氧核苷激酶途徑）脫氧核苷酸也能利用已有的堿基或核苷進(jìn)行合成（補(bǔ)救途徑），但只有脫氧核苷激酶途徑，不存在類似的磷酸核糖轉(zhuǎn)移酶途徑核苷磷酸化酶堿基 + 脫氧核糖-1-磷酸脫氧核苷 + 磷酸脫氧核苷激酶脫氧核苷 ATP脫氧核苷酸 + ADP二、 胸腺嘧啶脫氧核苷酸的合成由尿嘧啶脫氧核苷酸（dUMP